和田河中游建閘前后上下游河道沖淤變化模型試驗研究

楊澤慧

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司,新疆 烏魯木齊 830002）

0 引言

庫木巴克引水樞紐所在的和田河中游河段為沖積性河道,樞紐段為砂質河床,兩岸為沙漠區,河床游蕩多變,特別是洪水時沖刷劇烈,河道的沖淤演變對樞紐的安全運行產生影響。同時引水樞紐工程的建設和運用將改變現狀河道的邊界,對所在河段的泄洪、水位及河道演變產生影響；本次主要了解并掌握引水樞紐上下游河道泥沙沖淤變化規律。

本文通過對和田河中游河段進行模型試驗,分析河道水沙運動及泥沙沖淤的影響,對和田河中游建閘前后上下游河床動力響應規律進行初步歸納和總結。

1 工程概況

庫木巴克引水樞紐為Ⅲ等中型工程。由引水閘、泄洪沖砂閘及上、下游導流堤組成。設計洪水標準P=3%,洪水流量為1355 m3/s；校核洪水標準P=3%,洪水流量為1645 m3/s,采用正面泄洪排砂、左右岸兩側引水,引水角均為30°。

2 模型試驗設計

2.1 河段選取與布置

選定試驗河段長約7 km,其中閘址以上約6 km,閘址以下約1 km,主槽寬度變幅約150 m~1200 m,河道水面比降約0.56‰。模型進口由清水和渾水兩套管路采用電磁流量控制水沙過程,試驗河段布設有8 個固定水位觀測點,2 個測流斷面,30 個地形觀測斷面,洪水期河勢通過人工和攝錄同步觀測。其中C1 為閘址斷面,C2 為閘前257 m處斷面,C16 為閘前3014 m處斷面。

2.2 模型試驗方案與條件

根據試驗研究目的,試驗水沙條件選擇P=3%的設計洪水過程,以現狀河道和建閘兩種情況為地形邊界條件,組合形成兩組方案開展模型試驗,以研究建閘對河道沖淤和工程安全運行的影響。試驗期間主要開展以下內容觀測：①沿程水位；②閘前典型斷面流速分布；③橫斷面沖淤變化；④河勢演變情況等[1]。

試驗條件主要包括初始地形、河道工程條件、進口水沙量及出口水位控制等方面內容。初始地形資料是實測地形和斷面資料,局部河勢參考最新的航測圖片。床沙和懸沙級配依據現場采集的床沙資料。進口水沙條件,采用設計洪水的水沙過程。出口水位控制,現狀方案（建閘前）依據閘址的水位流量關系確定,建閘后按提出的樞紐調度運用原則控制,當大河來水小于800 m3/s時,閘前水位控制為1296.6 m,當大河來水超過800 m3/s時,泄洪閘全部開啟,控制引水閘開度,保證引入灌區所需水量。引水閘開啟度按分水流量大小,依據孔口堰出流理論計算控制。

2.3 相似準則

按照《河工模型試驗規程》（SL 99-2012）關于模型比尺設計的要求,模型設計主要是基于幾何形態相似、水流運動相似、泥沙輸移相似[2]、河床變形相似等理論的動床模型,具體公式參見參考文獻[3-4]。

此外,為保證模型與原型水流流態相似,還需滿足如下兩個限制條件：①模型水流必須是紊流,要求模型水流雷諾數Re*m>800 ；②模型水流不受表面張力的干擾,要求模型水深hm>1.5 cm。

3 河道沖淤演變特性分析

3.1 河道水位及流速變化特征

3.1.1 河道水位變化

沖積性河道沿程水位是河床阻力和沖淤[5]結果的綜合反映,洪水前后水位的升降可以反映河道的淤積或沖刷情況。

建閘后,上游的C26、C20 斷面水位流量關系與自然河道相近,對于靠近閘位的C4 斷面,受引水閘壅高水位運用的影響,流量小于800 m3/s時水位變化很小,大于800 m3/s后隨流量增加水位有明顯抬升。洪水前后上段水位下降大,下段下降值明顯減少,流量1340 m3/s時水位為1297.17 m,較自然河道抬高0.4 m。

3.1.2 河段流速及水深分布

建閘后,對于小于800 m3/s的洪水過程,控制閘前水位1296.6 m,除滿足灌溉引水外優先使用沖砂閘,泄洪閘部分開啟,泄洪閘上游水流平穩,在導墻上游迎水面產生繞流并形成明顯的渦漩[6],兩側水流流速大。來流量大于800 m3/s,泄洪閘全部開啟,隨著來流量的繼續增大,閘前水位抬高,閘墩阻水導致閘前水面平緩；閘前水位高于正常運用水位1296.6 m,導流墻被水流淹沒,閘前水流在較小流量時相對平穩。

3.2 河道橫斷面形態變化

3.2.1 閘前加測斷面

為進一步分析閘前沖淤情況,在閘上游70 m和125 m處分別加測C1+1 及C1+2 斷面。

與初始地形相比,根據閘前加測斷面C1+1 和C1+2 觀測結果,兩側靠近導流墻的區域沖刷強烈、中間泄洪段斷面沖刷較弱,但深泓變化和平均河底高程變化接近,C1+1 和C1+2 斷面分別變化約1.2 m和1.0 m,洪水后導流堤之間的河底高程較自然河道相對平整。

3.2.2 河道斷面

建閘后設計洪水過程各典型斷面沖淤變化見圖1。從洪水前后沿程典型斷面圖來看,河槽橫斷面形態變化與自然河道條件相近,上游寬淺斷面洪水后形成深槽,下游窄深河段洪水后形成“U”型河槽。

圖1 建閘后設計洪水過程典型斷面沖淤變化

3.3 河道沖淤量及沿程變化

建閘后,洪水前后河床沖刷仍然顯著。研究河段平均沖刷面積628.31 m2,平均河底高程下降1.30 m,深泓高程平均下降2.27 m；洪水前后沖刷面積上段大、下段小的特點更加明顯,河床高程下降值則為上段大、下段小。

4 結論與建議

4.1 結論

（1）對比分析洪水前后不同流量級（500 m3/s、800 m3/s、1000 m3/s）情況下水位變化。建閘后同一斷面經過洪水沖刷后,大流量時水位下降值較小,小流量時水位下降值大,上游斷面更加顯著,即河床經過大流量沖刷后在短時段內得以維持。

（2）隨洪水過程持續,河道斷面呈現沖深拓寬的現象,水深增加,最大流速出現在洪峰期。閘前受泄洪和沖砂閘運用,以及導流墻對水流的影響,水流斷面分布相對均勻。對于洪水流量小于800 m3/s時,控制閘前水位1296.6 m,當洪水流量大于800 m3/s時,泄洪閘全部開啟。

（3）自然河道條件下,洪水期河床發生沖刷,沖刷強度為上段大下段小。設計洪水時試驗河段平均沖刷面積724.9 m2,平均河底高程沿程平均下降1.53 m,深泓高程沿程平均下降3.1 m；建閘后沿程沖刷強度發生變化,洪水前后沖刷面積具有上段大、下段小的特點更為突出。試驗河段平均沖刷面積628.3 m2,寬淺的上段變化較小,C18 以下窄深段沖刷面積減少30.6%；平均河底高程和深泓高程上段下降值與現狀方案接近、下段減小。

4.2 建議

（1）基于高水位時間長可能帶來的問題,建議閘前右岸增加防護。

（2）在設計時應考慮河床沖刷的影響,工程運行初期也應加強觀測；受繞流的影響,控制水位運行時導流墻附近易形成沖刷坑,應考慮局部沖刷的影響。

（3）由于試驗以洪水過程為主,沒有經歷小水回淤階段,在運行過程中,應加強閘前淤積情況觀測,及時泄洪清淤,以免影響引水工程的正常運行及洪水時的正常泄洪。